利用虚拟仿真技术改进显示器件驱动实验

漆 强, 刘 爽

(电子科技大学 光电信息学院, 四川 成都 610054)

利用虚拟仿真技术改进显示器件驱动实验

漆 强, 刘 爽

(电子科技大学 光电信息学院, 四川 成都 610054)

传统的显示器件驱动实验在实验设备数量、便携性和可修改性等方面存在一定的问题。将虚拟仿真技术和硬件实验相结合,利用Proteus软件设计七段数码管、点阵液晶和点阵LED等多种显示器件的驱动电路,在每一种显示器件的设计中还增加了不同的驱动电路设计方案,让学生能够比较不同设计方案的优缺点,提高工程实践能力。这种设计方式解决了传统硬件实验存在的问题,同时改变了实践教学的模式,使学生不再局限于在实验室完成实验,扩展了实践教学的深度和广度,提高了优质教学资源的使用率和受益面。

虚拟仿真技术； 显示器件； 驱动实验； Proteus

显示器件驱动技术是信息显示和光电技术专业方向的一门核心课程,要求学生能够利用前期学习的电路知识,根据不同显示器件的显示原理,设计相关的驱动电路,并利用微控制器,编写驱动程序,在显示器件上显示所需的信息[1]。该课程和工程实践紧密结合,对学生的动手实践能力要求较高,在实践教学上存在一定的困难。因此创新教学手段,将虚拟仿真技术和硬件实验相结合,“以实为本,虚实结合”,对培养学生的学习兴趣,深入理解本课程的难点和重点有很大的帮助[2]。

1 现状及存在的问题

我院的信息显示和光电技术专业是国家级特色专业,在长期的教学实践中,设计了从显示材料的制备、显示器件的研制、显示驱动电路的设计等相关的配套实验。针对显示器件驱动电路,将多年的科研成果和教学实践相结合,研发了显示器件驱动实验箱,如图1所示。

图1 显示器件驱动实验箱实物图

该实验箱设计了针对段式液晶和矩阵LED显示屏的驱动电路,并且利用8051单片机和可编程逻辑器件完成驱动电路的控制,显示相关的信息。该实验箱接口丰富,除了可以进行显示器件驱动的实验外,对于单片机和可编程逻辑器件的应用也可以得到相应的练习，同时设计了相关的多个配套实验和完善的实验文档[3]。该实验箱是市面上第一款针对显示器件驱动设计的实验设备,相关高校如济南大学、沈阳理工大学和电子科技大学成都学院都使用该实验箱,取得了良好的社会效益。用这种设备进行传统的硬件实验对于学生直观了解驱动电路的设计,利用实验仪器测试驱动波形,从而深刻理解显示器件的驱动原理有很大的帮助。

然而,近年来,随着显示技术的不断发展,新的显示器件层出不穷,传统的硬件实验已经逐渐跟不上时代的发展。在目前的教学实践中存在以下的一些问题:

(1) 实验设备台套数有限,基本按照30人的规模配置,而“显示器件驱动技术”作为本专业的核心课程,选课人数众多,导致一个实验项目需要重复多轮才能完成,不仅增加了实验教师的工作量,也无法让学生更深入了解实验原理和掌握相关的实验技能[3]。

(2) 实验环境固定,实验箱笨重,缺乏便携性和灵活性。由于设计了点阵LED的显示,显示驱动实验箱体积较大,占用较大的实验桌空间。如果再加上示波器、信号发生器和万用表等实验仪器,留给学生的操作空间很小,不利于实验的进行和教师的指导。同时学生只能在实验室完成实验,无法在其他的空间进行,限制了实践教学环节深度和广度的发挥。

(3) 实验硬件电路固化,不利于修改。硬件类实验的一个主要问题是硬件电路固化,而对于显示器件的驱动电路设计而言,在工程实践中往往会有不同的设计方案。例如，对于16行×16列的点阵LED显示,就可以用译码器来设计行驱动电路,而不必采用传统的设计方案的多个8位移位寄存器相级联。因此传统的硬件类实验,在学生掌握多种设计方案和最新的显示技术方面存在一定的困难[4-5]。

2 虚拟仿真技术的应用

为了解决传统硬件实验存在的上述问题,我们在显示器件驱动实验的改进中引入了虚拟仿真技术,将传统的硬件实验和虚拟仿真技术相结合,二者优势互补,互相共存,形成系统化、模块化、虚实结合的实践教学新模式[6-8]。

在选择虚拟仿真软件时,我们对比了市面上多款软件,最终选择了Proteus虚拟仿真软件。该软件集成了原理图设计、印制板电路设计和电路仿真等3个功能,除了能够仿真传统的模拟电路和数字电路以外,它还提供了种类众多的仿真模型,如液晶显示模块、按键、交直流电机、温度传感器等,用户可以利用这些仿真模型搭建一个和实际硬件电路一致的硬件仿真平台,其运行效果和真实的电路几乎完全一致。同时Proteus还提供了大量的虚拟仪器,如示波器、信号发生器和逻辑分析仪等,用户可以利用这些仪器完成对相关信号的波形分析和测量[9-10]。用户利用Proteus设计出仿真电路图后,还可以结合Keil软件编写基于51单片机的驱动程序,进行软硬件的联合调试[11]。

2.1 七段数码管的显示

七段数码管是基于发光二极管(LED)封装的显示器件,分为共阳极和共阴极2种结构,在设计显示驱动时,又分为静态扫描和动态扫描2种方式。如果采用传统的硬件实验来实现不同种类,不同显示方式的七段数码管显示实验,不仅硬件电路复杂,而且成本较高。采用虚拟仿真技术后,就可以轻易的完成多种设计方案。在实际的教学实践中,讲授了七段数码管的显示原理后,以共阳极、动态扫描为例,介绍一个基本的驱动电路,然后让学生自行发挥,设计其他不同的七段数码管显示驱动方案,可以有效激发学生的学习兴趣。图2为基于8051单片机驱动的2位共阳极七段数码管动态扫描电路仿真图。

除了使用分离元件完成七段数码管的驱动之外,还可以采用专用显示驱动芯片完成设计,如CD4011译码芯片和工程中常用的MAX7219芯片,图3给出了基于MAX7219设计的八位七段数码管驱动电路仿真图[12]。利用虚拟仿真技术,对于七段数码管的驱动电路设计就可以采用不同的方案,学生可以分析和对比不同设计方案的优缺点,了解到在不同的工程要求下采用最简洁、最方便的设计方案,而采用传统的硬件实验,则会提高设计成本。

图2 2位共阳极七段数码管的动态扫描驱动电路仿真图

2.2 点阵液晶显示

原来的显示器件驱动实验箱,设计了字段式的液晶显示电路,它只能显示固定的字符,无法显示任意的图像。近年来,随着液晶生产线的增加,点阵液晶显示模块的成本不断下降,在工程领域已经大量的使用。对于点阵液晶的显示一般采用2种接口,一种是基于英特尔的8080总线接口,另一种是基于摩托罗拉的6800总线接口。在采用虚拟仿真技术后,我们设计了全彩液晶显示模块驱动电路原理图,并编写了基于英特尔8080总线的显示驱动程序。利用该虚拟仿真实验,学生不仅可以掌握点阵液晶显示模块驱动电路的设计方法,了解点阵液晶的显示原理,掌握点阵液晶显示的底层驱动程序编写以及字符和图片的显示方法,还能进一步了解图形用户界面(GUI)的设计方法。图4给出了全彩点阵液晶的显示驱动电路仿真图。

图3 基于MAX7219的七段数码管显示驱动电路仿真图

图4 全彩点阵液晶的显示驱动仿真图

2.3 点阵LED的显示

原有的显示器件驱动实验箱中设计了48行×64列的点阵LED显示,显示的行数和列数固定,且行驱动电路和列驱动电路均采用了多个8位的移位寄存器级联构成的并行输出电路。然而在实际的工程实践中,往往会涉及到16行多列的LED显示,即显示一行汉字,汉字采用左右移动的方式循环显示,这在很多户外广告中常常出现。对于16行的LED显示,设计行驱动电路时就可以进行简化,显示数据利用单片机的I/O口直接控制,而行驱动可以利用4线-16线译码器来译码控制每行的显示,传统的硬件实验往往无法完成这种多方案的设计。采用虚拟仿真技术后,我们就可以设计多种显示方案,让学生掌握点阵LED设计中不同驱动电路的设计方法和设计原理。图5是16行×16列的点阵LED驱动电路仿真图,其中显示数据由单片机的16个I/O口直接控制并同时输出,不需要设计移位寄存器进行串行数据到并行数据的转换,而行扫描电路则利用4线-16线译码器完成,电路非常简洁。学生在此基础上可自行发挥和设计,将数码管进行级联,扩展出16行N列的点阵LED驱动电路。

图5 16行×16列的点阵LED驱动电路仿真图

3 虚实结合的显示驱动电路实验的优势

虚拟仿真技术在显示器件驱动电路实验的改进上体现了很多的优势:

(1) 虚拟仿真实验提供了新的显示器件,也提供了更多的显示驱动电路设计方案,节省了硬件电路设计所花费的成本和时间。学生可以在Proteus软件的仿真环境下反复练习,尝试不同的驱动电路设计方案,对于学生掌握显示器件的驱动原理、培养创造性思维有很大的帮助。

(2) 虚拟仿真实验扩展了实践教学的深度和广度。原来的硬件实验只能在实验室进行,并且是2人一组或者3人一组完成实验。采用了虚拟仿真实验后,学生可以利用仿真软件搭建和硬件实验几乎一样的实验电路,并利用相关的编程软件编写驱动程序,进行软硬件联合仿真观测显示效果,达到和硬件实验一样的效果。学生进行实验不再局限于实验室,可以在理论课的课堂上,完成理论教学后就可以让学生自带笔记本计算机进行虚拟仿真实验。也可以课后在寝室里进行练习。

(3) 虚拟仿真技术可以和大规模在线课程(慕课)相结合,将优质的教学资源共享,提高其使用率和受益面。信息显示和光电技术专业作为我院的国家级特色专业,每年都有很多高校来我院进行交流和学习。将传统的显示器件驱动电路实验和虚拟仿真技术结合后,可以进行网上的实验教学,提供了一个教学资源共享和交流的平台,从而扩大优质教学资源的受益面。

4 结语

基于虚实结合的教学形式,将硬件实验和虚拟仿真实验有机结合,取长补短,有利于学生将理论和实践相结合,提高学生的工程素养,改变实践教学的模式,扩展实践教学的深度和广度。同时显示器件驱动部分的虚拟仿真实验作为我院成功申报国家级虚拟仿真实验教学中心——“光电信息技术虚拟仿真实验教学中心”的四大模块之一,其实践教学效果也得到了专家的一致好评。

References)

[1] 蒋泉,吴援明,张磊, 等. 平板显示驱动技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2014.

[2] 李玲，王菲.基于网络的虚拟现实技术在高校实验教学中的应用[J].实验科学与技术,2014,12(3):37-39,46.

[3] 崔贯勋,熊建萍. 基于虚拟仿真技术的MOOE实践教学平台开发[J]. 实验技术与管理, 2016, 33(4):103-107.

[4] 宋毅君,张明. 建设统一虚拟化教学环境平台的探索[J]. 实验技术与管理, 2016, 33(4):115-118.

[5] 胡中玉,岳强,任杰, 等. 基于Proteus仿真的电工电子课程教学创新[J]. 实验技术与管理, 2016, 33(4):128-130.

[6] 詹惠琴,古军.基于虚拟仪器:一种全新概念的仪器[J].电子制作,2008(4):6-10.

[7] 周灵彬,任开杰. 基于Proteus的电路与PCB设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2010.

[8] 刘共和,李云明.LabVIEW虚拟仪器程序设计和应用[M].北京:化学工业出版社,2011.

[9] 袁锋伟,赵立宏,朱慧玲, 等. 基于Proteus的单片机课程教学和实验改革[J]. 实验室研究与探索, 2007, 26(12):75-76.

[10] 陈忠霞,常龙,黄云前,等.基于LabVIEW的高校信息管理系统[J].微型机与应用,2016,35(8):76-78.

[11] 康华光.电子技术基础:模拟部分[M].6版.北京:高等教育出版社,2013.

[12] 蒙艳玫,秦钢年,卢福宁, 等. 构建新的实验教学体系创建机械工程实验教学示范中心[J]. 实验室研究与探索, 2009,28(1):23-26.

Improving driving experiment of display device by virtual using simulation technology

Qi Qiang, Liu Shuang

(School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China)

The traditional driving experiment of display device has some problems such as the quantity of experimental equipment, portability and modification. With the combination of virtual simulation technology and hardware experiment, and using Proteus software, it can design a series of driving experiments of display device such as seven-segment display, dot matrix LED, etc. Also it can make some kinds of design scheme for each display device. Students can compare the advantages and disadvantages of different design schemes and improve their practical ability. This innovative method solves some problems which exist in traditional hardware experiments and change the mode of practical teaching that students will not confined to the laboratory to complete the experiment. It expands the depth and breadth of practical teaching and improves utilization ratio and benefit of quality teaching resources.

virtual simulation technology；display device；driving experiment; Proteus

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.002

2016-10-14

国家自然科学基金青年科学基金项目(61307102);电子科技大学2015年本科教育教学改革研究项目(2015XJYYB028)

漆强(1978—)，男，四川成都，硕士，副教授，主要研究方向为信息显示和光电技术器件驱动和光电系统集成.

E-mail：ytqiqiang@163.com

TP391.9；TN873

A

1002-4956(2017)2-0007-04